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Les moteurs pas à pas

Introduction

Un moteur pas à pas diffère radicalement d'un moteur électrique conventionnel :
Un moteur conventionnel fait tourner un axe, on peut éventuellement influer sur la vitesse de rotation en controlant son alimentation. Mais il n'a pas a priori besoin d'un circuit de commande (il suffit de le brancher sur une pile pour que ca tourne), et on ne peut influer sur la position précise de l'axe, ou sur le nombre de tours à effectuer.
Au contraire un moteur pas à pas ne peut tourner sans circuit de commande dédié. Il permet de réaliser des rotations brusques toujours du même angle, correspondant à un pas. Ainsi un moteur de 200 pas par tour permet d'efféctuer à chauqe fois une rotation de l'axe de 360/200=1.8° (vers la gauche ou vers la droite). On peut donc commander facilement un déplacement précis en comptant le nombre de pas après avoir choisi une direction de rotation. C'est pourquoi les moteurs pas à pas trouvent des applications partout où les mouvements doivent être précis: (robotique, imprimantes, scanners, lecteurs de disquettes ou disques durs...).
Il existe différents types de moteurs pas à pas : unipolaires biphasés, bipolaires. Nous ne traiterons ici que le cas des moteurs unipolaires biphasés (les bipolaires ont des avantages certains, mais leur électronique de commande est plus complexe). Les moteurs pas à pas ne peuvent pas dépasser une vitesse de rotation assez basse (de l'ordre de 5 tours/seconde pour des unipolaires biphasés usuels), au delà de cette vitesse, le moteur ne tourne plus, il vibre (mais cela n'endommage pas le moteur). Ils sont cependant assez puissants, et dans la plupart des applications il n'est pas nécessaire de démultiplier leur couple.

Le fonctionnement des moteurs pas à pas

fig.1
fig. 1

La figure 1 montre le schéma électromécanique d'un moteur pas à pas bipolaire à 4 pas par tours. AB et CD sont des électro-aimants et constituent le stator. Le rotor est un simple dipôle magnétique (aimant permanent). Si AB est soumis à une tension positive, la position stable sera l'alignement Nord-Sud indiqué. Si maintenant la bobine CD est soumis à une tension positive (et AB à une tension nulle), la position stable du rotor aura tournée de 90°. Le rotor a avancé d'un pas. Pour le prochain pas on alimentera AB en sens inverse, avec une tension nulle aux bornes de CD, et ainsi de suite. Le rotor tourne dans le sens horaire. Si on veut le faire tourner dans le sens trigonometrique, il suffit d'inverser la séquence précedente. Notons aussi que tant qu'une bobine est alimentée, le stator est fixé dans une position : le stator est bloqué, il faut un couple imortant exterieur pour l'en déplacer.

Pour faire tourner la moteur bipolaire, il faut donc dans un cycle inverser les tensions aux bornes des bobines. En électronique, il est cependant beaucoup plus facile d'appliquer un potentiel à un point unique plutôt que d'inverser une tension (le nombre de transistors est divisé par deux). On obtiendrait un moteur pour lequel il n'est pas nécessaire d'inverser la polarité en doublant le nombre de bobines (deux nouvelles bobines de même alignement mais de sens inversé), ou plus simplement en mettant le point milieu des deux bobines à une tension commune et en n'alimentant à chaque fois qu'une demi-bobine. En effet si le milieu de la bobine est à 0V, le champ magnétique est inversé selon que l'une ou l'autre des extrémités est alimenté par une tension V. (Comme une moitié de la bobine n'est plus alimenté, on perd cependant en rendment). Cette dernière solution constitue le moteur unipolaire biphasé.

Nous avaons vu ici le fonctionnement d'un moteur unipolaire biphasé à 4 pas par tour. En pratique, on a besoin de bien plus de 4 pas par tours ; pour obtenir un nombre plus grand de pas, on réalise un grand nombre de bobinages et on utilise un rotor multipolaire (une espèce de roue dentée dont deux dents adjacentes sont de polarités magnétique opposées). Pour éviter d'avoir autant de fils de connection que de pas par tours, les différentes bobines sont interconnectées :
Les bobines 1+4n,2+4n,3+4n,4+4n (partant du point milieu) sont reliées respectivement aux fils A,B,C,D. Le moteur est 'globalament invariant par un rotation d'angle 360/(nbre de pas par tour)'. (C'est d'ailleurs aussi cette propriété qui permet de démarrer un moteur sans connaitre la position angulaire précise du rotor.)

Les moteurs unipolaires biphasés sont donc connectés au circuit de commande par 6 fils (A,B,C,D et les 2 points milieu, parfois ces deux dernier sont reliés dans le moteur et la connection se fait par 5 fils). Supposons que le point commun est relié à la masse (0 V). Si on code l'alimentation des fils A,B,C,D par un bit (1 pour +Vpp et 0 pour la masse), on peut résumer un cyle de rotation par les tableaux suivant:
rotation droite: 

ABCD    ABCD    ABCD    ABCD    ABCD
1000    0100    0010    0001    1000    ...
Rotation gauche: 
ABCD    ABCD    ABCD    ABCD    ABCD
1000    0001    0010    0100    1000    ...
Mais il existe aussi d'autres modes d'alimentation :

L'électronique de commande

Il est assez aisé de produire la séquence de bits nécessaire au fonctionnement du moteur. Dans la plupart des cas, c'est en effet un microcontroleur qui la produira, par simple rotation de bits dans un octet (instruction RRF et RLF pour un PIC par exemple). Le problème est de transformer des signaux numériques issus d'un composant TTL ou CMOS en des signaux qui peuvent effectivement alimenter le moteur.
fig.2
fig. 2

La figure 2 présente une solution simple et peu couteuse. L'ULN 2803 contient 8 Darlingtons (deux transitors NPN en cascade) de puissance et des diodes de protections. Celles-ci, connectées entre les pins 11 à 18 et le pin 10 permettent d'éviter (court-circuiter) les surtensions produites par les variations brusques de courant aux bornes des bobines du moteur (forte inductance!). Chaque Darlington peut supporter jusqu'à 500mA, ce qui suffit pour des moteurs pas à pas de puissance usuelle. Les risques d'échauffements sont minimes, puisque les transitors fonctionnent en interrupteurs (soit pas de courant->U*I~0 mW, soit U~0,1 V, donc U*I<50mW). On voit que 4 darlingtons ne sont pas utilisés : un seul ULN 2803 peut ainsi commander deux moteurs pas à pas.
fig.3
fig. 3

La figure 3 présente une variante de ce montage, proposée dans Electroniqe Pratique n°181, qui permet d'alimenter des moteurs pas à pas consommant jusqu'à 1A par bobine. Les résistances R1 à R8 permettent de mieux répartir le courant entre les deux darlingtons couplés et constituent aussi une protection de l'ULN2803 en cas de court circuit.

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Page conçue par Boris Kuhlmey, 1997.